三元中能煤礦提升機負載監測系統的優化研究

田曉罡

（三元中能煤業有限公司，山西 長治 046605）

引言

三元中能煤業提升機為多繩摩擦輪式提升機，其設計提升量為0.7 Mt/a，提升深度為451.38 m，提升機的井口軌道面標高為41.4 m，井下軌道面標高為-801.4 m，提升機的摩擦輪直徑為3 500 mm、天輪直徑為3 500 mm。提升機的核心部件為4條直徑38 mm的鋼絲繩，最大提升速度約為9.16 m/s，提升機的單次額定提升量為4.48 t。在提升機系統中采用了稱重式的負載監測裝置，在實踐應用過程中由于提升機運行速度變動等因素，常常導致整個提升機負載稱重出現±110 kg的變動量，而且負載變化的傳遞存在著較大的滯后性，導致提升機系統在運行過程中產生強烈的震動和沖擊，摩擦輪處磨損嚴重，使用壽命僅為理論使用壽命的1/3，給提升機的安全穩定運行帶來了嚴重的隱患。

針對以上問題，三元中能煤業機電科提出了一種新的礦井提升機負載監測系統，其采用了基于RISC微處理器（ARM）的快速數據處理系統[1]，實現了對提升機運行過程中負載的動態監控。根據實踐應用表明，該負載監測系統能夠實現±5 kg的提升量的監測，有效減輕了提升機運行過程中的震動、沖擊，提升了使用壽命和安全性。目前，該系統已經在三元中能煤業得到了廣泛的應用。

1 三元中能煤業提升機負載監測系統結構

針對三元中能煤業提升機的實際情況，結合礦井提升機的實際運行特性，決定在新的提升機負載監測系統中采用執行油缸工作壓力變送監測方案[2]，即通過對執行油缸內工作壓力的監控，判斷提升機工作時的負載狀態。由于執行油缸是被設置在提升機的鋼絲繩和提升機構處，需要隨著提升機的運行不斷變化位置，因此在該負載監測系統的數據傳輸部分采用了無線數據傳輸，以確保監測數據傳輸的安全性。三元中能煤業的提升機載荷監控系統的整體結構如圖1所示。

圖1 提升機負載監測系統結構示意圖

由圖1可知，在三元中能煤業的提升機監測系統中共設置了兩組監測傳感器和監測數據發送器，傳感器A被設置在鋼絲繩和提升機構的執行油缸處，用于監控提升油缸內的工作壓力，傳感器B被設置在提升機下側的稱重機構處。工作時A、B兩處的監測傳感器分別對提升機的負載情況進行相關監測，并將監測結果傳輸到發送器內通過無線傳輸系統傳遞到井口處設置的接收器內，然后利用RS485信號將監測結果傳遞到地面上的控制中心，在控制中心內對二者的檢測信息進行對比，只有二者監測數據均滿足判斷要求時，才能實現對監測結果的確定，可有效避免在提升過程中由于急停、速度轉換沖擊而導致的負載監測失真。為了提升對各類監測數據的分析速度和準確性，在地面控制中心內的數據處理單元采用了RISC微處理器（ARM）系統，此處理器穩定性高、可靠性好，能夠滿足大量數據的快速計算和分析需求。

2 提升機數據傳輸系統結構

由于三元中能煤業提升機監測系統的監測傳感器均被設置在提升機上隨著提升機運行，傳統的有線數據傳輸系統無法滿足新監測系統的數據動態監測和傳輸要求。因此，三元中能煤業機電科根據提升機的運行特性和監測傳感器的安裝位置要求，提出了采用無線數據傳輸的方案。為了解決提升通道狹窄、無線數據傳輸信號衰減量大的難題，經過大量的實踐驗證，通過在提升機上側設置數據發生器，實現信息的發送，在井筒內側每隔200 m設置一個信號接收和轉換裝置，通過數據增強的方式確保在整個提升過程中數據傳輸的連續性和可靠性，最終數據被傳輸到設置在井口位置的通訊轉接板內，在此處將數據信號轉換為符合RS485數據傳輸要求的信號，實現數據的遠距離傳輸。在監控終端內設置有RS485轉RS232數據轉換模塊，用于對不同數據信號的轉換，滿足終端數據分析需求，該監測系統的無線數據傳輸結構如圖2所示。

圖2 提升機負載監測無線傳輸方案

為了提升負載監測系統的運行經濟性和平穩性，三元中能煤業機電科對多種無線數據發射模塊的運行穩定性和功耗情況進行了對比分析，最終確定選用AS62-T30無線數據模塊，此模塊采用了LORA擴頻技術，具有運行功耗低、信號強、發熱量小的優點[3]，可確保無線信息傳遞的精確性。

3 傳感器的選型

傳感器是煤礦提升機負載監控系統的核心，其監控的準確性直接關系到監測系統能否安全穩定運行，因此需要確保傳感器能夠在高壓、強震動沖擊條件下運行的穩定性，同時還需要滿足在煤礦井下的防爆安全等級需求。根據負載監測系統中傳感器的使用環境，通過對十余種傳感器運行情況的測定，最終選擇了NS-P-I型傳感器，此型傳感器采用了IP67防護等級，防護安全性好，而且能夠在不同環境中滿足±0.01 MPa的監測精度需求[4]，完全滿足提升機系統在運行過程中的重量連續性監測要求。

由于在提升機運行過程中需要監測系統能夠準確判斷自平衡油缸是否到位、提升機的封閉門是否關閉等，而各種傳感器的類型極多，不同傳感器所發出的傳感信號不一致，在傳輸過程中會產生相互干擾和削弱，因此需要利用數字量隔離電路對不同的信號進行分類轉換和傳輸。三元中能煤業所使用的數字量隔離電路為十六路光耦隔離電路（見圖3），能夠接受十六種傳感器的傳輸信號并完成光耦電壓匹配，可保證監控信號傳輸的精確性。

圖3 光耦轉換電路示意圖

4 提升機負載監測系統的應用

三元中能煤業礦井提升機負載監測系統自投入使用以來，表現出了較高的運行平穩性，運行過程中對提升負載的監測精度達到了±5 kg以內，比原監測系統提升了22倍。負載監測精度的提升使提升機速度調節系統的運行穩定性得到了同步提升。據統計，優化后提升機在運行時的速度波動量比優化前降低了76.4%，極大地提升了運行過程中的平穩性，另外，由于減小了對提升機摩擦輪的沖擊，顯著降低了對摩擦輪的磨損，提升了摩擦輪的使用壽命和安全性。目前，該提升機負載監測系統已經在三元中能煤業的2座礦井得到了應用，取得了極好的應用效果。該提升機負載監測系統控制界面如圖4所示。

圖4 三元中能煤業提升機載荷檢測界面示意圖

5 結論

1）新的礦井提升機負載監測系統采用了基于RISC微處理器（ARM）的快速數據處理系統，實現了對提升機運行過程中負載的動態監控，穩定性高、可靠性好，能夠滿足大量數據的快速計算和分析需求。

2）新的礦井提升機負載監測系統數據通信單元采用了無線傳輸方案，滿足了對提升負載連續動態監測的需求。通過數據增強的方式確保了數據在動態過程中傳輸的精確性和平穩性。

3）新的礦井提升機負載監測系統監測精度達到了±5 kg以內，比優化前提升了21倍，提升機在運行時的速度波動量比優化前降低了76.4%，極大地提升了運行過程的平穩性。